110kV输电线路电流电压保护设计(3)

辽宁工业大学

电力系统继电保护课程设计（论文）题目： 110kV输电线路电流电压保护设计（3）

院（系）：新能源学院

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课程设计（论文）任务及评语

续表

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘要

电力系统的输、配线路因各种原因可能会发生相间或相地短路故障因此必须有相应的保护装置来反映这些故障并控制故障线路的断路器使其跳闸以切除故障.对各种不同电压等级的线路应该装设不同的相间短路和接地短路的保护。针对电力系统的输电线路进行了继电保护设计，采用了电流电压保护方法，首先确定了在最大运行方式和最小运行方式下的等值阻抗。并对其进行了相间短路的最大、最小短路电流的计算。进行了保护1、2、3的电流速断保护定值的计算，同时也计算了各自的最小保护范围。然后，对保护2、3进行限时电流速断保护的定值计算，并校验各保护的灵敏度。接着，进行了保护1、2、3的过电流保护定值计算，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限。校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。同时绘制电磁式三段式电流保护原理电路图，并详细的分析其动作过程。最后对整个电流电压继电保护系统采用MATLAB建立系统模型，并对其仿真所得的结果与运算法所得结果进行分析和比较。

关键词：电流电压保护；三段式电流保护；灵敏度；最大运行方式

目录

第1章绪论 (4)

1.1继电保护基本概念 (4)

1.2继电保护装置的构成 (4)

1.3继电保护装置的基本要求 (5)

第2章输电线路电流保护整定计算 (6)

2.1 电流Ι段整定计算 (6)

2.1.1 动作电流的整定 (6)

2.1.2 灵敏度校验 (7)

2.1.3 动作时间的整定 (8)

2.2 电流Ⅱ段整定计算 (8)

2.3电流Ⅲ段整定计算 (9)

第3章电流保护原理图的绘制与动作过程分析 (10)

3.1电流三段式保护原理接线图 (10)

3.2 电流三段式原理展开图 (11)

第4章 MATLAB建模仿真分析 (12)

第5章课程设计总结 (14)

参考文献 (15)

第1章绪论

1.1继电保护基本概念

当今世界最重要的专门技术之一就是继电保护技术，使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。它要有一个专门保障体系，其中。电力系统断电保护能在全系统范围内，按指定分区实时地检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警等措施，以求最限度地维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损坏。电力系统继电保护设计包括发电机、变压器、线路、电动机、电容器等元件的保护方案选择，自动装置的选择及整定计算等等。

电力系统非正常运行状态有：过负荷，过电压，非全相运行，振荡，次同步谐振，同步发电机短时失磁异步运行等。

电力系统继电保护和安全自动装置是在电力系统发生故障和不正常运行情况时，用于快速切除故障，消除不正常状况的重要自动化技术和设备。电力系统发生故障或危及其安全运行的事件时，他们能及时发出告警信号，或直接发出跳闸命令以终止事件。

1.2继电保护装置的构成

继电保护装置构成的方框图。它内测量元件、逻辑元件和执行元件所组成，测量元件将从被保护对象(输电线路或其亡电气设备)输入的信息(如电流、电压等)与预先给定的信息(称为整定值)进行比较，鉴别被保护设备有无故障或正常下作情况。并输出相应的信息。逻辑元件根据测量元件输出的信息．判断保护装置是否该动作于跳闸或动作干信号、是否需要带延时跳间或延时给出信号输出相应的信息。执行元件根据逻辑入件输出的信息，送出跳问信息或报警信息予断路器的控制回路或报警信号回。

继电保护装置构成的方框图

1.3继电保护装置的基本要求

1．选择性

电力系统发生故障时，继电保护的动作应当具有选择件，它仅将故障部分切除能继续运行．尽量缩小中断供电的范围。

2．动作迅速

电力系统发生故障后，要求继电保护装置尽快的动作．切除故障部分，这样做的好处

(1)系统电压恢复得快，减少对广大用户的影响。

(2)电气设备损坏程度减轻。

(3)防止故障扩大，对高压电网来说，快速切除故障更为必要，否则会引起电力系统振荡甚至失去稳定。

(4)有利于电弧闪络处的绝缘强度恢复．当电源切除后又自动重新合上(即采用白动重合闸装置)再送电时容易获得成功(即提高了自动重合闸的成功率)。

3．灵敏性

灵敏性是指继电保护装置反应故障的能力，一般以灵敏系数的大小来衡量。4．安全性和可靠性

(1)选用确当的保护原理，在可能条件下尽量简化接线，减少元器件的数量和触点的数量。

(2)提高保护装置所选用的器件质量和工艺水平，并有必要的抗干扰措施。

(3)提高保护装置安装和调试的质量，并加强维护和管理。

除了上述四个方面基本要求之外，在选用继电保护装置时，还必须注意经济性，在保证电力系统安全运行的前提下，应采用投资少、维护费用较低的保护装置。

本科生课程设计（论文）

第2章 输电线路电流保护整定计算

2.1 电流Ι段整定计算

2.1.1 动作电流的整定

Ω=?==244.06021L L X X ，Ω=?=164.0403L X

Ω=?=164.040BC X ，Ω=?=124.030CD X , Ω=?=84.020DE X

最大运行方式等值阻抗 所以，最大运行方式的等值阻抗为：

()()()

()Ω=++=++=11161024241020332121min 3L G L L G G X X X X

X X X

最小运行方式等值阻抗

所以，最小运行方式的等值阻抗为：

16161024203311max 3L G L G X X X X X

C 母线最大短路电流为：

KA =+=+=

46.216

113

115min 3max BC s kC X X E I

C 母线最小短路电流为：

KA =+?=+?=

07.216

1631152323max 3min BC s kC X X E I 同理，D 母线最大短路电流为：

KA =++=++=70.112

16113

115min 3max CD BC s kD X X X E I

D 母线最小短路电流为：

KA =++?=++?=31.11216163

1152323max 3min

CD BC s kD X X X E I E 母线最大短路电流为：

KA =+++=+++=

41.18

1216113

115min 3max DE CD BC s kE X X X X E I

E 母线最小短路电流为：

KA =+++?=+++?=11.18

1216163

1152323max 3min

DE CD BC s kE X X X X E I 保护1，2，3的第I 段动作电流分别为：

KA =?=?=69.141.12.1max 1kE I

rel I op I K I KA =?=?=04.270.12.1max 2kD I rel I op I K I

KA =?=?=95.246.22.1max 3kC I

rel I op I K I

2.1.2 灵敏度校验

Ω-=---?=---=98.912161669.12115

23max 31

min 1CD BC I

op s X X X I E xl Ω-=--?=--=8.3161604.22115

23max 32

min

2BC I op s X X I E xl

Ω=-?=-=

49.31695.22115

23max 33

min 3X I E xl I

op s

所以，0%100min 11

I sen

X xl K

，不满足灵敏度要求。 ,0%100min

22

I sen X xl K ，不满足灵敏度要求。 %15%8.21%10016

49.3%100min 33>=?=?=BC I sen

X xl K

，满足灵敏度要求。 2.1.3 动作时间的整定

由上述过程可知，保护1，2，3的I 段动作时间分别为：

s 01=I op I ，s 02=I op I ，s 03=I

op I

2.2 电流Ⅱ段整定计算

对于保护2的电流保护II 段动作电流应与相邻线路DE 电流保护的I 段配合，即

2min 12b I op II rel II op K I K I ?=，12min =b K

所以，KA =?=94.1169.115.12

II

op I

3.168.09

4.131.12

min <===II op kD II sen

I I K

，不满足灵敏度要求。

所以断路器2处电流保护II 段与断路器1处的II 段配合，但因1处没有保护II 段，所以不满足要求。

对于保护3的电流保护的II 段的动作电流应与相邻线路CD 电流保护的I 段配合，即

KA =?=?=35.2104.215.13min 23b I

op II rel II op K I K I 3.188.035.207

.23

min <===

II

op kC II sen I I K ，不满足灵敏度要求。 所以，断路器3处电流保护II 段与断路器2处电流保护II 断配合，即

KA =?=?=23.2194.115.13min 23b II

op II rel II op K I K I

3.193.023.207

.23

min <===

II

op kC II sen I I K ，不满足灵敏度要求。 s 13=II

op I

2.3电流Ⅲ段整定计算

整定保护1，2，3的过电流保护定值，假定母线E 过电流保护动作电流时限为0.5s,确定保护1，2，3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2，3作远后备的灵敏度。

因为max rel L re

ss III III

op I K K K I ??=

所以KA =??=??=304.015085

.05.115.1max rel 1

DE re ss III III op I K K K I

KA =??=??=406.020085.05.115.1max rel 2

CD re ss III

III op I K K K I

KA =??=??=710.035085

.05.115.1max rel 3

BC re ss III III

op I K K K I

因为假定母线E 过电流保护动作的时限为0.5s,即s 5.0e =III

op I ，所以保护1，2，3整定时间分别为：

s 1e 1=?+=t I I III op III op s 5.112=?+=t I I III op III op s 223=?+=t I I III op III op 3.165.3304.011

.11

min 1>===

III

op kE III sen I I K ，满足灵敏度要求。 2.173.2406.011.12min 2

>===III op kE III

sen I I K

，满足灵敏度要求。

2.156.1710.011.13

min 3>===

III

op kE III

sen I I K ，满足灵敏度要求。

第3章电流保护原理图的绘制与动作过程分析3.1电流三段式保护原理接线图

图3.1 三段式电流保护原理接线图

图中，1KA 、2KA 是A 、C 三相电流保护Ⅰ段的测量元件； 3KA 、4KA 是A 、C 三项电流保护Ⅱ段的测量元件； 5KA 、6KA 、7KA 是A 、C 三相电流保护Ⅲ段的测量元件； KM 是中间继电器；

1KT 、2KT 是电流保护Ⅱ、Ⅲ段的逻辑延时元件；

1KS 、2KS 、3KS 是电流保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段动作的报警用信号元件。 在该保护的第Ⅰ段保护范围内发生AB 两项短路时，测量元件1、2、3、4、5、6都将动作，其中测量元件1、2直接启动中间继电器和信号元件，并使断路器跳闸，切出故障。虽然测量元件3、4、5、6启动了延时元件，但因故障切除后，故障电流已消失，所以所有测量元件和延时未到的延时元件，均将返回。电流保护的Ⅱ、Ⅲ段不会再输出跳闸信号。同理，在线路末端短路时，只有延时元件动作以切出故障。

3.2 电流三段式原理展开图

电网的三段式电流保护的作用，是利用不同过电流值下，设置不同的延时动作时间来规避工作尖峰电流和使发生短路故障时，只有事故点最近的断路器动作以减少断电的影响范围。

三段式电流保护原理展开图如图3.2、3.3、3.4所示。

图3.2 交流回路展开图

T Aa

T Ac

1KA

3KA

5KA

2KA

4KA

6KA

7KA

A 相

C 相

N 相

交流回路

+WC -WC

控制母线

图3.3 直流回路展开图

图3.4 信号回路展开图

第4章 MATLAB 建模仿真分析

利用Simulink 中的SimPowerSystems 工具箱构建设计要求中给定的电力系统系统，并在Matlab 环境中调试成功。再建立线路三段式电流保护模块对各个部分参数进行设定。根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合模拟电流I 、II 、III 段保护动作分别在电流I 、II 、III 段的范围内设置故障进行调试仿真。

根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合模拟各段保护的动作情况。

（1）模拟电流Ⅰ段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图4.1所示： 由图可以看出线路在0.05s 发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过一个很小的延时0.001s ，断路器1跳闸。电流Ⅰ段成功按时动作。

+WS

信号

1KS

2KS

3KS

图4.1 电流Ⅰ段保护仿真波形图

（2）模拟电流Ⅱ段保护动作，在电流Ⅱ段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不同段发生故障，所以就可以直接改变线路1的值来模拟线路不同段的故障。将线路1的值设置为10 ，线路0、2分别为0.3、3.5。仿真参数同1），执行仿真后，仿真结果如下图4.2所示:

图4.2 电流Ⅱ段保护仿真波形图

由图可以看出线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过预先设置的延时0.5s，断路器1在0.55s跳闸。电流Ⅱ段成功按时动作。

（3）模拟电流Ⅲ段保护动作，在电流Ⅲ段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不同段发生故障，所以就可以直接改变线路1的值来模拟线路不同段的故障。

将线路1的值设置为15.5 ，线路0、2分别为0.3、3.5。仿真参数同1），执行仿真后，仿真结果如下图4.3所示:

图4.3电流Ⅲ段仿真波形图

由图可以看出线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过预先设置的延时1.0s，断路器1在1.05s跳闸。电流Ⅲ段成功按时动作。

第5章课程设计总结

本文设计的是输电线路电流电压保护的设计。所以，在开始部分首先计算并确定了系统在保护3最大、最小运行方式下的等值阻抗，其次，对母线C、D、E相间短路的最大、最小的短路电流进行计算，在满足要求的情况下整定保护1、2、3的电流速断保护定值，并通过计算确定它们各自的保护范围。保护第Ⅰ段主要靠动作电流值来区分被保护范围内部和外部短路，而且具有选择性。而电流保护第Ⅱ段和第Ⅲ段则应由动作电流和动作时间二者相结合才能保证其选择性，缺一不可。其次，进行了保护1、2、3的过电流保护定值计算，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限。校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。通过查阅资料绘制电磁式三段式电流保护原理电路图，并详细的分析其动作过程。最后对整个电流电压继电保护系统采用MATLAB建立系统模型，并仿真出结果。

在本次课程设计中，遇到了诸多问题，如计算量较大，MATLAB软件中元件查找不到，仿真出的波形震荡大使得误差变大，绘制三段式电流保护原理展开图时的连线问题等。通过对系统的三段式电流保护整定计算来完成整定。将系统进行多次仿真，

并调节参数，使其趋于稳定达到所需要的结果。

参考文献

[1] 陈堂等编著《配电系统及其自动化技术》中国电力出版社2004.8

[2] 何仰赞等编著《电力系统分析》武汉：华中理科技学出版社，2002.3

[3] 于海生编著《微型计算机控制技术》清华大学出版社2003.4

[4] 王士政主编《电网调度自动化与配网自动化技术》中国水利水电出版社2007.3

[5] 许建安编著《电力系统微机继电保护》中国水利水电出版社2003.6